CN100432727C - 激光入射光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种用含石英的材质、包层相对芯径的厚度为0.035～0.1倍、数值孔径NA为0.06～0.22的突变指数型的光纤(101)。通过使峰值功率大于10MW的巨脉冲振荡方式的固体激光振荡器(111)发出的激光(L)作为发散性的光射入到光纤的入射端面(102)，从而不损伤光纤，并能传输激光。

Description

激光入射光学装置

发明领域

本发明涉及使峰值功率大于等于10MW的巨脉冲振荡方式的激光稳定地射入到光纤用的激光入射光学装置。

背景技术

以往，在激光消融加工、激光诱起(日文：誘起)荧光分析或激光冲击等方面，使用由峰值功率在大于等于数MW的巨脉冲(GP)振荡方式的固体激光振荡器得到的激光。

在传输功率如此大的激光上，例如采用石英材质的突变指数型的光纤。

而石英材质的光纤在连续振荡(CW)激光的情况下，可以传输高达数KW的能量。但是以脉宽为数nsec左右的短脉冲激光的形式脉冲能量超过数十mJ的激光其峰值功率为大于等于数MW。

已知短脉冲激光的脉冲能量与连续振荡激光的脉冲能量相比大于等于1000倍，峰值功率密度也变得非常高，达10^-1～1.0GW/cm²等级。因此，由于电子雪崩现象或多光子吸收等原因造成光纤受伤而损坏，便不能传输激光。还有，有报告称：石英(石英玻璃)材质的因脉冲激光而受损的阈值为脉宽约5nsec，则约为100GW/cm²左右(‘激光手册’激光学会著、オ-ム出版社p463、473)。

因此，用光纤传输在时空中分布的激光即短脉冲激光时的实用极限现试以将脉宽5nsec、反复振荡10Hz的Nd:YAG激光射入到芯径1mm的光纤的情况为例进行说明，按照脉冲能量为30～40mJ左右，也就是按照峰值功率为6～8MW(相对芯径的峰值功率密度为0.76～1.0GW/cm²)。

从上述可知：现状是在欲传输大于等于10MW的短脉冲激光时，因光纤内部受损，故实质上不能传输激光。也就是将利用光纤的传输作为前提，固体激光振荡器产生的激光主要是连续振荡(CW)激光，而峰值功率超过数MW的短脉冲激光靠光纤传输是件相当困难的事。

还有，为了用光纤传输激光作为使激光射入到光纤的例子，有过激光和光纤在空间上取得匹配的报告。有报告称：在这种情况下，为了将激光的射入到光纤的入射口径限制于光纤的芯径以内而且光纤的数值孔径NA以内，使激光会聚于光纤的入射端面并射入(‘激光加工技术’、川澄博通著、日刊工業新闻社、pp.34～37)。

但是，已知当使峰值功率高的激光会聚射入到光纤时，在光纤内部激光产生局部收敛，在光纤的特定部分处能量密度升高，光纤内部受损。另外，出于防止光纤内部产生激光收敛的目的，也知道减轻激光会聚程度的方法，但在峰值功率超过数MW的情况下，要完全防止光纤内部激光收敛是相当困难的。

还有，根据非专利文献2的报告认为以下的考虑是妥当的，即在光纤内部，因激光发生收敛，造成光纤受损的主要原因是：由于用峰值功率高的激光其电场强度也升高，光纤的石英材料的折射率因强电场的作用而部分变化，由于一种透镜效应而产生自收敛。

此外，有一种方法是，为了能传输峰值功率大于10MW激光，将放大后的激光射入到阵列状的分割透镜在空间上分割成数十个后，用将全部分割数设置于阵列之后方的聚光透镜使激光射入到光纤。

虽然有上述的方法，即为了能传输峰值功率大于10MW激光，将放大后的激光射入到阵列状的分割透镜在空间上分割成数十个后，用将全部分割数设置于阵列之后方的聚光透镜使激光射入到光纤，但是由于排列成阵列状的分割透镜能制造出的大小为2mm左右，所以例如为了将分割数作为分割81次(9×9＝81)，就需要将2mm见方的凸透镜纵横9个并排为18mm×18mm的分割透镜组(复眼透镜)。但存在的问题是分割透镜组、即复眼透镜的生产成本非常高。

另外，将分割数作为一组以宽2mm×长度18mm沿宽2mm的方向有曲率的9个圆柱透镜纵向排成一列的横向上的分割透镜组，并作为另一组由同样的透镜9个横向排成一列的纵向上的分割透镜组，通过使上述两组透镜组组合在一起，也能获得和上述复眼透镜相同的效果。但是虽然透镜的成本稍有降低，而存在的问题是零件件数增加以及由于其保持所用的结构件等原因总的成本增大。

另外，在使用复眼透镜的情况下，即使在按照分割数81＝9×9，将透镜的大小作为18mm见方时，要求激光的断面尺寸(光束直径)放大到一边为18mm的正方形的对角线即约26mm。

再有，在采用复眼透镜的情况下，除了上述的成本增加的问题外，还存在因各个透镜边界处产生的反射损耗的影响致使传输效率降低10～20％的问题，以及必须调整复眼透镜的位置的问题。

本发明的目的在于提供一种廉价的激光入射光学装置，在这种使峰值功率大于10MW的巨脉冲振荡方式的固体激光振荡器发出的激光射入到光纤的入射端面的入射光学装置中，能使光纤不受损伤地传输激光，传输效率不会降低、不需要复杂的调整。

发明内容

本发明的入射光学装置，使峰值功率大于10MW的巨脉冲振荡方式的固体激光振荡器发出的激光，射入到光纤的入射端面，具有：会聚所述固体激光振荡器发出的激光用的聚光透镜；以及在该聚光透镜的激光聚焦点后面规定位置设置光纤的入射端面，使所述激光作为发散性的光射入到光纤的入射端面用的光纤位置调整机构，所述光纤为用含石英的材质、相对芯径的包层的厚度为0.035～0.1倍、数值孔径NA为0.06～0.22的突变指数型的光纤。

而且，由于是采用含石英的材质，相对芯径的包层的厚度为0.0035～0.1倍、数值孔径NA为0.06～0.22的突变指数型的光纤，因此通过以峰值功率大于10MW的来自巨脉冲振荡方式的固体激光振荡器的激光作为发散性射入到该光纤的入射端面，能使光纤不受损伤地传输激光。

附图说明

图1为表示本发明的激光入射光学装置的实施方式的一示例的概要构成图。

图2为说明采用发散入射方式的聚光光学系统的传输模式用的概要构成图。

图3为表示光纤的入射角和聚光透镜的焦距间的关系用的图。

图4为表示光纤的入射角和聚光透镜的入射发散角间的关系用的图。

图5为表示光纤的入射方式和传输能量间的关系用的图。

图6A为光纤轴线方向的剖视图。

图6B为与图6A示出的光纤轴线方向正交的方向的剖视图。

图7为表示包层厚度和传输能量间的关系用的图。

图8为表示芯径和传输能量间的关系用的图

图9为表示射入到光纤的入射角和传输能量间的关系用的图

图10为表示本发明的激光入射光学装置其它实施方式的概要构成图。

图11为表示一例装有本发明的激光入射光学装置的激光诱起荧光分析装置的概要构成图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。

利用图1至图9，说明激光入射光学装置的实施方式。

如图1所示，激光入射光学装置11为能使峰值功率大于10MW的由巨脉冲振荡方式的固体激光振荡器(激光装置)111产生的脉冲激光不损光纤101、并以较少的损耗射入到规定芯径及包层厚度的光纤101的入射端面102的装置。

激光入射光学装置11具有：将由固体激光振荡器111供给的光束断面直径为规定大小的激光L聚光的聚光透镜13；以及使聚光透镜13和光纤101的入射端面102之间的距离保持为一定距离的光纤位置调整机构15。

聚光透镜13是一种价格低廉并容易得到的凸透镜，只要是能承受因射入固体激光振荡器111发出的激光L所产生的热量的材质及形状，则不受特别的限制。另外，聚光透镜13也可以是合成透镜，可以按需用两片薄的透镜组合而成。

光纤位置调整机构15具有：保持聚光透镜13的聚光透镜保持部16；保持光纤101的光纤保持部17；以及调整光纤101的入射端面102与聚光透镜保持部16所保持的聚光透镜13对向的间隔用的调整部18。靠该调整部18调整光纤101，使得光纤101的入射端面102位于聚光透镜13的焦点位置即只离开聚焦点A后面规定距离的位置。还有，调整部18可以靠手动、电动机及齿轮机构等移动机构，将和光纤保持部17上的聚光透镜保持部16之间的距离设定在任意的位置。

还有，光纤101的入射端面102配置在聚光透镜13的焦点位置即只离开聚焦点A后面规定距离的规定位置，这是将射入到光纤101的入射端面102的激光L作为发散性的光。也就是，使光纤101的入射端面102和聚光透镜13之间的距离为最佳通过使射入到光纤101的入射端面102的激光L为发散性的光，从而射入到光纤101的激光L在光纤101内特定的位置收敛，其结果，光纤101特定位置处的峰值功率密度升高，制止光纤101受损。

另外，通过使光纤101的入射端面102和聚光透镜13之间的距离为最佳，从而能防止在激光L的峰值功率密度大于规定的大小例如100GW/cm²之际，由于聚光透镜13的聚焦点A上发生的空气击穿的影响，激光L不能稳定地传输，以及空气击穿产生的等离子到达光纤101的入射端面102损伤光纤101的入射端面102。

利用图2～图4进行具体说明，由聚光透镜13会聚激光L的聚焦点A和光纤101的入射端面102之间的距离例如为1～十几mm左右。

即，设激光L的脉冲能量为E[Wt]、激光L的脉宽为t[sec]、发生空气击穿的阈值的峰值功率密度为Pth[Wt/cm²]、由聚光透镜13会聚的激光L的聚光半径为ω[mm]，则聚光半径ω可用式(1)表示。

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\mathrm{}}[E/(\mathrm{Pth}\×\mathrm{\π}\×t)]\·\·\·\left(1\right)$

另外，又设被传输的激光峰值功率为P[W]，则式(1)改写为式(2)。

$\mathrm{\ω}=\sqrt{\mathrm{}}[P/(\mathrm{Pth}\×\mathrm{\π})]\·\·\·\left(2\right)$

另一方面，设射入到聚光透镜13的激光L的发散角为θ₁(半角)[rad]、聚光透镜13的焦距为f[mm]，则聚光半径ω可用式(3)表示。

f×θ₁＝ω…(3)

另外，如设激光L的光束断面口径为r(半径)[mm]从固体激光振荡器111至聚光透镜13的距离为D₁[mm]，则根据聚光透镜13的焦距f[mm]和射入到聚光透镜13的激光L的发散角θ₁(半角)，由聚光透镜13会聚的激光L的聚光角(即由聚光透镜13会聚的激光L射入到光纤101时的入射角)θ₂(半角)[rad]可用式(4)求出。

θ₂＝-r/f+(1-D₁/f)×θ₁…(4)

因此，从式(2)～式(4)可知：透镜焦距f、透镜口径(光束断面口径)r、射入到光纤101的激光L的入射角θ₁、固体激光振荡器111至聚光透镜13之间的距离D₁、激光L的峰值功率P、及发生空气击穿的阈值的峰值功率密度Pth具有由式(5)决定的关系。

$f=[-(r-\mathrm{\α})+\sqrt{\mathrm{}}\{{(r-\mathrm{\α})}^2-4\×{\mathrm{\θ}}_2\×\mathrm{\α}\×D_1\left\}\right]/(2\×{\mathrm{\θ}}_2)$

$:\mathrm{\α}=\sqrt{\mathrm{}}[P/(\mathrm{Pth}\×\mathrm{\π})]\·\·\·\left(5\right)$

根据式(5)，可以求出在聚光透镜13的聚焦点A上，不发生空气击穿的聚光透镜13的焦距f。即，根据由式(5)求出的聚光透镜13的焦距f及式(3)和根据式(1)或式(2)能求出射入到聚光透镜13的激光L的入射角(即发散角)θ₁，所以若将射入到聚光透镜13的激光L的入射角设定为θ₁，则不会发生空气击穿，能高效地使激光L射入到光纤101。

作为一个例子，设激光L的口径(直径)为2～13mn，图3表示使聚光透镜13和固体激光振荡器111之间的距离在10～500mm的范围内变化的情况下，计算可利用的聚光透镜13的焦距f的结果，图4表示计算射入到聚光透镜13的激光L的入射角(发散角)θ₁的结果。

例如，假设激光L的口径为r＝3mm(直径6mm)、固体激光振荡器111至聚光透镜13的距离D₁为D₁＝100mm、从聚光透镜13射入到光纤101的激光L的入射角(聚光角)为θ₂＝0.15rad、峰值功率为P＝20MW、发生空气击穿的阈值的峰值功率密度为Pth＝100GW/cm²，则求聚光透镜13的焦距f和射入到聚光透镜13的激光的入射角θ₁，计算结果为f＝24.9mm、θ₁＝3.2mrad(全角为6.4mrad)。

例如，将由实测设定的聚光透镜13的焦距f代入式(4)，要对光纤101的入射角θ₂的大小在不超过射入到激光L的光纤的NA的范围内设定聚光透镜13的焦距(参照图3)。

也就是说，虽然图3表示在激光L射入到光纤101时使聚光角(射入到光纤101的入射角)θ₁变化之际发生空气击穿的聚光透镜13的焦点位置，但是，使激光L的口径(光束断面直径)和聚光透镜13的设置位置变化的结果，下限值为0.06rad。

然而，由于激光的质地(空间模式或波面等)或聚光透镜13的像差的影响等，有时实际的聚光直径比理想的聚光直径大。

在这种情况下，缩短聚光透镜13的焦距直至用式(2)求得的不发生空气击穿的聚光直径和实际的聚光直径相等，最好加大激光L射入到光纤101时的数值孔径NA(参照图4)。还有，最好根据激光L射入到光纤101时的数值孔径NA和适合发散入射方式的射入到聚光透镜13的入射角θ₁之间的关系射入到光纤101的激光L的入射角θ₂的下限值比0.06rad大。

另外，设聚焦点A处的聚光半径为ω(mm)、聚焦点A和光纤101的入射端面102之间的距离为Lf(mm)、激光L射入到光纤101的芯部时的光束断面直径即入射直径为Wi (直径)(mm)、激光L射入到光纤101时的入射角θ₂(半角)为(rad)，则聚光透镜13的聚焦点A和光纤101的设置位置(入射端面102的位置)可用式(6)表示。

Lf＝(Wi-2ω)/(2×tanθ₂)…(6)

利用式(6)，聚光透镜13的焦点位置(聚焦点A)和光纤101的入射端面102之间的距离Lf例如设定为0.25～16mm。具体设射入到光纤101的芯部的激光的射入到口径的最小值例如为420μm(应由光纤101传输的激光L的功率即由能量或峰值功率决定的芯径的最小值)、另外，设最大值例如为能容易得到的光纤101的最大芯径1500μm的90％即1350μm、Wi＝420～1350μm、ω＝100μm(峰值功率30MW、空气击穿发生阈值100GW/cm²的最低聚光直径)、θ₂＝0.06～0.22rad(以后叙述)，试计算适合的Lf的范围，Lf的范围如以上所述为0.25～16mm。

实用上，设对光纤101的入射端面102能设定的最小距离为1mm，从聚焦点A至光纤101的入射端面102的距离定为1～16mm的范围。然而，当距离Lf大于所需时，由于不射入到光纤101的激光L也增大，所以上限值例如可为10mm左右。

更理想的为：聚光透镜13和光纤101的入射端面102之间的距离Lf根据实际装配调整结果，在大多情况下，为1.5mm～5mm的范围。

以下，根据光纤101的芯径及包层厚度说明能射入到光纤101的激光L的强度。

如上所述，已知在欲将利用巨脉冲振荡方式得到的峰值功率超过数MW(按照峰值功率密度为10^-1～1.0GW/cm²)的激光L射入到光纤101时，将使光纤101受损无法传输激光L。

因此，根据图1、图2至图4说明过的只有规定聚光透镜13和光纤101的入射端面102之间的距离Lf及激光L射入到聚光透镜13时的入射角θ₁及使由聚光透镜13会聚的激光L射入到光纤101的入射端面102之际的聚光角θ₂，有时光纤101才损伤。

以下，说明合适的光纤101结构特点及激光L的传输特性。

图5表示对芯径1000μm、包层厚度50μm、数值孔径NA为0.2的光纤101将脉宽5nsec激光L的口径(光束断面直径)700μm的激光，设入射角为0.02rad根据图2说明的发散入射方式和一般的收敛入射方式射入到的实验结果。

从图5可以确认：用收敛入射方式，以传输能量30mJ(峰值功率6MW)，光纤101会损伤。与此相反，通过采用发散入射方式传输能量即使为70mJ(峰值功率14MW)光纤101也不会损伤。

另外，作为光纤101结构上的特征，已知由于光纤的芯材纯度很高不易被激光L的能量损伤，具有如图6示出的结构的突变指数型的石英材料。光纤101具有芯部103、形成于芯部103周围的包层104、以及形成于包层104周围的被覆层105。

还有，关于包层104的厚度，已知随着比规定厚度不断增厚在光纤101弯曲时因机械应力的作用容易产生损坏，相反，若包层104的厚度变薄，在射入到数MW等级的峰值功率的激光L时，由于从芯部103漏向包层104的激光L的作用光纤101损坏。

另外，包层104的厚度比芯部103的直径小，例如是芯部103的直径的0.05～0.1倍左右。因此，即使是漏向包层104极少量的激光L，峰值功率密度比芯部103的部分高10倍。还有，因为在包层104和芯部103之间的边界上通常的激光L的传输上由于所产生的衍射的影响，宛如有驻波存在那样部分峰值功率变高，所以在将包层104的厚度减薄上也有下限值。

图7表示对芯径1000μm、数值孔径NA0.2的光纤101将脉宽5nsec、口径(光束断面直径)700μm的激光L以入射角0.02rad按照图2说明的发散入射方式入射，改变包层104的厚度的实验结果。

从图7可知，随着包层104的厚度增加能传输更大的能量。也就是从图7可以确认：在包层104的厚度为20μm时，虽然40mJ(峰值功率8MW)是极限，但通过将包层104的厚度增厚为50μm，则即使是70mJ(峰值功率14MW)光纤101也不会损伤。

因此，从图7可以确认：为了能传输大于等于峰值功率10MW的激光L包层104的厚度要大于等于35μm。另外，包层104的厚度一旦大于100μm就变得又硬又脆、光纤101就不易弯曲、弯曲半径变大，所以要小于等于100μm。

另一方面，关于芯径，虽然根据和应由光纤101传输的激光功率密度间的关系设定下限值，但芯径的上限值根据图8如以下所述，例如能以相对入射激光L的口径(光束断面直径)的比例形式进行判断。

图8表示设包层104的厚度为一定，对芯径变化的光纤101射入激光L，改变射入到光纤101时的激光L的口径(光束断面直径)的实验结果。

从图8可以得出以下的结论，即尽管在芯径和入射的激光L的光束断面直径(口径)之间有差别只要包层104的厚度相同，若是该范围内的入射口径则都能传输相同的10MW的峰值功率的激光L。

也就是说，如图8所示，得到为了能传输峰值功率大于等于10MW聚光直径要大于等于420μm。因此，考虑到相对聚光直径有80％左右的富裕最好芯径大于等于500μm。

又，如图9所示，在对芯径1000μm、包层104的厚度50μm、数值孔径NA为0.2的光纤101按照发散入射方式，射入口径(光束断面直径)为700μm、脉宽5nsec的激光L时，改变射入到光纤101的激光L的入射角θ₂，从上述实验结果可知：为了使峰值功率为15MW(按能量换算为80mJ)左右的激光以低损耗射入，需要0.06rad左右的入射角θ₂。还有随着入射角θ₂的增大能传输更大的能量，通过使入射角θ₂为0.12rad左右，能传输峰值功率20MW左右的激光L。

另一方面，在光纤101上，在激光L入射时数值孔径NA存在上限值，该上限值取决于芯部103和包层104间边界上的衍射而射入到光纤101的激光L在光纤101内传输，。也就是说，光纤101的数值孔径NA一旦过小在发散入射方式上，射入光纤101的入射角θ₂变小不能得到充分的效果。这一点如以上所述，射入光纤101的激光L在光纤101内部特定位置处收敛，会引起光纤101损伤。

另外，光纤101的数值孔径NA一大，便使光纤101射出的激光L的角度增大，为了以规定的光束断面直径对对象物照射激光L所用的照射光学系统也要增大。例如利用1片折射率n为n＝1.5左右的玻璃平凸透镜，为了以小于等于1的成像倍率将光纤101射出的激光L聚光于对象物，从透镜口径相对透镜曲率的制作极限的角度考虑，光纤101的数值孔径NA为NA≈0.25rad及其以下。

还有，所述的光纤101由于其包层104的厚度比一般光纤的包层厚度厚，所以考虑到机械强度(抗弯性能)的降低，设芯部103的折射率为n₁、包层104的折射率为n₂，则数值孔径NA可根据下式来规定。

NA＝√[(n₁)²-(n₂)²]

另外，光纤101为了加大数值孔径NA广泛采用一种使包层104的折射率降低的方法，由于增大掺入包层104的氟或硼的量，而容易变脆、折断。还有，考虑到利用图7求得的包层104的厚度，取决于上述照射光学系统所规定的数值孔径NA的上限再降低，实质上为0.22rad。

因此，光纤101的数值孔径NA的上限为0.22。还有因上限值随着实际所用光纤101结构特点及物理性质而变化，所以在发散入射方式上对光纤101能设定的数值孔径NA的上限未必限于0.22，为根据光纤101结构特点及物理性质而定的数值。

还有，下限值根据利用图3及图4聚光透镜13的焦点位置和射入到光纤101的激光L入射角θ₂、和利用图8说明的光纤101的芯径和根据射入到光纤101的激光L的口径(光束断面直径)芯径不受制约的实验结果、以及利用图9说明的能量传输能力的确认结果，可以认为和激光L的入射角θ₂相等便可，数值孔径NA＝0.22rad。

根据以上所述，利用发散入射方式能传输20MW(峰值功率密度100GW/cm²)左右的巨脉冲振荡方式的激光L的光纤101最好在以下的范围内。

芯部103的直径为500～1500μm

包层104的厚度为35～100μm

光纤101的数值孔径NA为0.06～0.22

还有激光l射入到光纤101时激光L的入射角θ₂最好是在激光入射光学装置11的构成允许范围内尽可能大的角度。

根据以上所述，为了使峰值功率大于等于10MW的脉冲激光L或峰值功率小于等于10MW短脉冲激光L能稳定传输，例如在光纤101的数值孔径NA＝0.2的情况下，射入到光纤101的激光L的入射角θ₂最好为0.2rad(光纤101的数值孔径NA的上限值)以下。

以下，说明激光入射光学装置11一具体例子。

还有，以下示出的数值为利用图9以前说明过的峰值功率22MW的激光L的数据，例如利用巨脉冲振荡方式的Nd:YAG激光振荡器即固体激光振荡器111，使脉宽5nsec、脉冲能量110mJ(峰值功率22MW＝110mJ/5nsec)、直径6mm的激光L在突变指数型石英材质的光纤101上按照以下条件传输的结果。

射入到聚光透镜13的入射角(入射发散角)θ₁＝1.8mrad(半角)、

激光口径(光束断面直径)r(半径)＝3mm(直径6mm)、

聚光透镜13和固体激光振荡器111间的间隔D₁＝600mm、

聚光透镜13的焦距f＝31mm、

光纤101的芯径1000μm、

包层104的厚度50μm、

数值孔径NA＝0.2rad、

激光L射入到光纤101的入射角θ₁＝0.13rad(半角)、

从聚光透镜13的聚焦点A至光纤101的入射端面102之间的距离Lf＝2mm、

射入到光纤101的激光L的入射口径(光束断面直径)：700μm(直径)。

还有，根据上述各数值，即射入到聚光透镜13的入射角(入射发散角)θ₁＝1.8mrad、聚光透镜13和固体激光振荡器111间的间隔D₁＝600mm、激光口径(光束断面直径)r(半径)＝3mm、聚光透镜13的焦距f＝31mm利用式(4)求前面说明过的射入到光纤101的入射角θ₂时，入射角θ₂＝0.13rad，可以确认本发明能利用的光纤101的数值孔径的范围为NA＝0.06～0.22rad的范围。

还有，若根据发散入射方式，则与采用分割成m×n的复合透镜的已知的例子作比较，则因能消除在各透镜边界处产生的反射损耗的影响，能使从聚光透镜13的入射侧向光纤101的出射侧传输的传输效率提高约10％。

又，用发散入射方式，由于能减少光学构成要素的个数，所以激光入射光学装置11整体成本降低。

因此，通过用含石英的材质，包层的厚度相对芯径为0.035～0.1倍、数值孔径NA为0.06～0.22的突变指数型的光纤101，通过对该光纤101的入射端面102射入到作为发散性的光从峰值功率超过10MW的巨脉冲振荡方式的固体激光振荡器111发出的激光L，能不损伤光纤101传输激光，传输效率不会降低、无需复杂调整，能廉价地提供。

以下，利用图10说明激光入射光学装置11其它实施方式。

还有，对于与利用图1至图9示出的实施方式已说明过的构成相同，或类似的构成标注同一标号不再详细说明。

激光入射光学装置11具有：在固体激光振荡器111和聚光透镜13之间设置将规定的聚光性赋予来自固体激光振荡器111的激光L的聚光透镜13、及使聚光透镜13和光纤101的入射端面102之间距离保持一定距离的光纤位置调整机构15，将在光纤101的入射端面102反射的反射激光(返回激光)R从固体激光振荡器111向聚光透镜13发出的激光L中分离出来作为半透明镜用的光束分离器(取样反射镜)31、以及接受由该光束分离器31分离出来的反射激光R输出与其强度对应的电气信号，例如作为具有光电变换元件的观测单元的CCD摄像机32。还在CCD摄像机32和光束分离单元31之间设置使被光束分离单元31分离的反射激光R成像于CCD摄像机32的图中未示出的受光面上的成像透镜32，另外在成像透镜32和CCD摄像机31之间还可按需设置调整射入到CCD摄像机31的反射激光R的强度用的衰减滤光片等光量调整装置34。

因射入到光纤101的入射端面102的激光L的入射位置而形成的信息成像于CCD摄像机32。因此，根据由CCD摄像机32得到的入射端面102的图像，例如通过未具体说明的移动机构使光纤位置调整机构15的光纤保持部17的位置移位，能将光纤101的入射端面102的位置和成像透镜13间的距离设定成利用图2～图4说明过的所希望的位置。

还有，设聚光透镜13的焦距为f₁、成像透镜的焦距为f₂、从光纤101的入射端面102至成像透镜13的距离为a、须设置CCD摄像机32的位置(离开光纤101的入射端面102的距离)为b、聚光透镜13和成像透镜33之间的距离d在倍率为m时，可用下式表示。

b＝(1+m)×f₂-m²×a    …(11)

m＝f₂/f₁…(12)

d＝f₂+f₁…(13)

利用式(12)，根据聚光透镜13的焦距f₁及欲观测的成像倍率m决定成像透镜33的焦距f₂，然后，根据式(13)及式(11)通过决定两透镜相互间的间隔(距离d)及CCD摄像机32的位置等，可观测光纤101的入射端面102。

现作为一个例子来表示，设聚光透镜的焦距f₁＝31mm、相对从固体激光振荡器111发出的向着聚光透镜13的激光L的主光轴以45度角度配置光束分离器(取样反射镜)31，使CCD摄像机32位于成像透镜33后方规定位置，来自光纤101的入射端面102的反射激光R成像于CCD摄像机32，用图中未示出的TV监视器边观测边调整入射。

还有，在成像倍率m实质上为3倍时，由式(12)，设成像透镜33的焦距例如为f₂＝100mm、根据式(13)聚光透镜13和成像透镜33之间的距离d大约为131mm。另外，又因聚光透镜13和光纤101的入射端面102之间的距离a约为33mm，所以成像透镜33和CCD摄像机32之间的距离约为79mm。这时，根据式(11)成像倍率约为3.2倍。

由光纤位置调整机构15调整光纤101的入射端面102和聚光透镜13之间的距离a由于除了在激光入射光学装置11装配时进行调整以外，其余未必是必需的，所以光束分离器31、CCD摄像机32及成像透镜33等用于入射状态监视的构成也可以做成从固体激光振荡器111和聚光透镜13之间的光程中省去。

以下，利用图11说明激光入射光学装置11又一其它实施方式。

图11表示将激光入射光学装置11用于激光诱起荧光分析装置(利用LaserInduced Breakdown Spectroscopy激光诱起分光分析法的高速分析装置)的例子。激光诱起荧光分析装置虽然在能分析的试样(分析对象物)的种类上稍些有限制，但具有准备试样的预处理阶段简单、高速、分析对象物是固体时能原封不动地适用等各种优点，可以期待在更广的范围得以应用。

如图11所示，激光诱起荧光分析装置301具有巨脉冲(GP)振荡方式的固体激光振荡器111、激光入射光学装置(激光传输系统：导光光学系统)11、照射光学系统331、荧光检测光学系统341、单色器(光检测器或分光器)351、摄像机构361、定时调整机构371、以及数据处理器381等。

作为固体激光振荡器111，例如为Nd:YAG等激光器。还有从固体激光振荡器111输出的激光L的大小例如脉宽5nsec左右、峰值功率14～20MW、传输能量70～100mj(峰值功率密度80GW/cm²)。另外，固体激光振荡器111在大多情况下包括振荡控制装置、电源装置、冷却装置等，这里不再详述。

激光入射光学装置11与利用图1或图10说明过的一样，包括使固体激光振荡器111发出的激光L作为发散性的光射入到光纤101的入射端面102的聚光透镜13等。还有，聚光透镜13和光纤101的入射端面102之间的距离按照上述实施方式设定。

光纤101例如芯径为1000μm、包层的厚度为50μm，靠聚光透镜13会聚，利用通过聚焦点表示发散特性，发散角在0.06～0.22rad能高效射入到光束断面直径可变化的激光L，具有0.06～0.22的数值孔径NA。

照射光学系统331具有将从激光入射光学装置11的光纤101的出射端面106射出并表示出一时发散性的脉冲激光L聚光于试样S或保持试样S的试样保持部399的规定范围的聚光透镜333。还有，聚光透镜333与试样S的大小、形状一致能任意地设定。

荧光检测光学系统(检测光导光光学系统)341具有位于试样保持部399上的捕获来自试样S的荧光的聚光透镜343、及将聚光透镜343捕获的荧光射入到后级的分光器(单色器)用的光纤345。

单色器351例如由包括光栅(衍射光栅)或波长滤光片等在内的已知的分光计或与试样S的特性一致的检测机构任意组合而成。

摄像机构361感受被单色器351取出的特定波长的光(荧光)输出与该光强对应的电气信号，所以，例如，可与试样S的特性一致任意选择已知的CCD摄像机、光电倍增管或FFT分析器等。

定时调整机构371例如是脉冲发生器或激光诱起荧光分析装置301的主控装置，控制供给固体激光振荡器111的图中未示出的电源装置的驱动脉冲的输出定时和CCD摄像机，例如控制栅极控制型的I-CCD的动作定时等，按照规定的定时拍摄试样S产生的荧光。

数据处理装置381暂存摄像机构361输出的图像或分光光谱等，依照预存的‘元素定性识别程序’、‘元素定量测量程序’、或将规定的处理加在由摄像机构361提供的图像数据等上的算法等，解析试样S的特性或作为其前期处理数据。

在图11示出的激光诱起荧光分析装置301中利用主控装置391(在图11所示的例子中，和定时调整机构371做成一体)，按规定定时生成驱动脉冲，根据该驱动脉冲从固体激光振荡器111以规定脉宽输出峰值功率14～20MW的GP方式的激光L。

固体激光振荡器111输出的脉冲激光L，利用聚光透镜13变换成发散性的光，高效地射入到光纤101，传输至光纤101的出射端面106。

从光纤101射出的激光L，利用照射光学系统331的聚光透镜333照射试样。还有，激光L如以上所述，峰值功率为14～20MW，利用聚光透镜333例如通过聚光成数百μm的直径，在照射试样S的时刻峰值功率密度为80GW/cm²。通过这样，试样S等离子化，靠该等离子能量从存在于试样的各元素，放射出各自固有的荧光(包括荧光在内的光谱)。

这一发光(包括荧光在内的光谱)被荧光检测光学系统341的聚光透镜343捕获，通过光纤345射入到单色器351。

以后，由单色器351除去来自试样S本身的光谱分量，在试样S所含的元素中取出固有的光谱。

被单色器351取出的光谱由摄像机构361作光电变换，供数据处理部381，在数据处理部381特定试样S所含的元素。例如摄像机构361例如在为FFT分析器的情况下，靠操作人员的目视能特定试样S所含的元素。

还有，在自试样S所含的元素得到固有的荧光光谱以前，已知从等离子发光(即照射激光L)开始要延迟数μsec～数百μsec。所以利用定时调整机构371(主控装置391)控制摄像机构361的动作。例如在摄像机构361是带栅极的CCD摄像机时，将规定的延迟附加于计测时间，同时按规定的定时通过使栅极导通能只计测需要的荧光光谱。

另外，上述激光诱起荧光分析装置301中几乎不需要ICP发光分析那样的试样前期处理，能迅速测量。还有激光诱起荧光分析装置301中在对试样S照射激光L之际对空间(场所或大小)的限制也少，故通过单元化，在测量对象物的某个任意的场所均能对测量对象物进行分析。

如以上所述，利用激光诱起荧光分析装置，光学零部件数量少、便宜、高效，不使用光束放大用准直透镜和光束分割用阵列透镜，用1片或两片聚光透镜(凸透镜)便能射入到光纤。

另外，能提供小型、廉价，采用峰值功率超过10MW的巨脉冲振荡方式的激光L的例如用于激光诱起荧光分析、激光消融加工、激光冲击等过程的激光入射光学装置11。

还有，本发明不限于所述各实施方式，在其实施阶段中只要在不背离其主要内容的范围内可作各种变形或变更。另外各实施方式只要可能也可以作适当的组合并实施，在这种情况下，可以获得组合产生的效果。

工业上的实用性

根据本发明，则通过采用含石英材质，相对芯径的包层的厚度为0.035～0.1倍、数值孔径NA为0.06～0.22的突变指数型的光纤；以及使峰值功率超过10MW的巨脉冲振荡方式的固体激光振荡器发出的激光作为发散性的光射入到该光纤的入射端面，能廉价地提供一种激光入射光学装置，这种装置能不损伤光纤传输激光，传输效率不会降低、不需要复杂的调整。

Claims (6)

1.一种激光入射光学装置，使峰值功率大于10MW的巨脉冲振荡方式的固体激光振荡器发出的激光，射入到光纤的入射端面，其特征在于，具有

会聚所述固体激光振荡器发出的激光用的聚光透镜；以及

在该聚光透镜的激光聚焦点后面规定位置设置光纤的入射端面，使所述激光作为发散性的光射入到光纤的入射端面用的光纤位置调整机构，

所述光纤为用含石英的材质、相对芯径的包层的厚度为0.035～0.1倍、数值孔径NA为0.06～0.22的阶梯折射率型的光纤。

2.如权利要求1所述的激光入射光学装置，其特征在于，

所述光纤为芯径500～1500μm、包层厚度35～100μm。

3.如权利要求1或2所述的激光入射光学装置，其特征在于，

以按照半角0.06～0.22rad及光纤的固有入射极限角度中任何一种方式，将激光射入到所述光纤的入射端面。

4.如权利要求1或2所述的激光入射光学装置，其特征在于，

所述光纤位置调整机构使光纤的入射端面位于聚光透镜的激光聚焦点后方1～16mm处。

5.如权利要求4所述的激光入射光学装置，其特征在于，

所述光纤位置调整机构使光纤的入射端面位于聚光透镜的激光聚焦点后方1.5～5mm处。

6.如权利要求1或2所述的激光入射光学装置，其特征在于，还具有

设置在固体激光振荡器和聚光透镜之间的半透明镜；以及

通过该半透明镜，观测光纤的入射端面的光的图像的观测单元。

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